Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 07 Motor MVEM och Turbo. Modelleringsstrategi MVEM

Transkript

1 Innehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 7 Motor MVEM och Turbo Lars Eriksson - Kursansvarig Repetition Fortsättning på turbo Hårdvara för laddtrycksreglering Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se November 7, 8 / 36 3 / 36 Nedskalning och överladdning Modelleringsstrategi MVEM 3. liter liter liter turbo sfc [g/kwh] Performance at RPM 5 3. l 45 l l + turbo 4 9 km/h η.. 9 km/h Torque [Nm] 4 / 36 5 / 36

2 En MVEM fo r en Turbomotor Kompressor- och turbinprestanda Mappar Turbine Map Compressor Map.5.8 pr = atm pr = atm Tr = C Tr = 6 C.64 Flow.4 Surge Line.78 Surge region Efficiency Region Corrected speeds, Nco [krpm] 6 96 Corrected speeds, Nco [krpm]. Choke. Efficiency Corrected flow [kg/s] Pressure ratio, Πc..8.. Corrected mass flow [kg/s] Expansion ratio, /Πt Pressure ratio Πc = pp Expansion ratio Korrigerat massflo de och korrigerad hastighet Effektivitet Hur besta ms kompressor- och turbinprestanda?. Πt 6 / 36 Inneha llsfo rteckning =.55 p3 p4 7 / 36 Besta mning av kompressor- och turbinprestanda Flo desba nk fo r Turbo Gas Stand Repetition m f,tu CV m a,tu m c Fortsa ttning pa turbo T p Ha rdvara fo r laddtrycksreglering B T3 p3 MC ωtc C T p T T4 p4 C - Kompressor, T - Turbin, CV - reglerventil, B - bra nnare MC - Mekanisk kompressor Tva massflo dessensorer, m c, m a,tu + injektormodell m f,tu Turbinflo de: m t = m a,tu + m f,tu 8 / 36 9 / 36

3 .8.. p r = atm T r = C Surge region Surge Line.68 Compressor Map Corrected mass flow [kg/s].78 Corrected speeds, N co [krpm] Choke Region p r = atm T r = 6 C Corrected speeds, N co [krpm] Turbine Map.. Expansion ratio, /Π t 6 76 Flow Efficiency Kompressor- och turbinekvationer Kompressor och Turbin Mapparna Kompressor och turbin På tavlan Pressure ratio, Π c Hur används de? Varför korrigerade storheter? Corrected flow [kg/s]...55 Efficiency / 36 / 36 Kompressor- och turbineffektivitet Turbinens effektivitet - Problemet Effekt konsumerad av en ideal process ηc = = Konsumerad effekt ) γ γ p ( p T T Producerad effekt ηt = Teoretiskt möjlig effekt för ideal process = T4 T3 ( ) γ p4 γ p3 Turbinen Värmeöverföring ger problem! Definition ovan kan ge ηt >! Efficiency Turbine isentropic efficiency Turbine and mechanical efficiency Turbine expansion ratio /Π t / 36 3 / 36

4 Turbinens effektivitet - Mer detaljer Förstå turbomappar. Dimensionsanalys Använd kompressorns effektkonsumption som mått på: Producerad effekt Ẇc = ṁc cp (T T) ṁc cp (T T) ηt ηt ηm = ṁt cp (T3 T3s) = ṁc cp (T T) ( ( ) γ ) ṁt cp T3 p4 γ p3 Detta används för att bestämma turbineffektiveten i mapparna. Ψ = hs N D = f( ṁ ρ N D 3, N D ρ N D,, γ) a µ ṁ η = f( ρ N D 3, N D, a ˆP = P ρ N 3 D 5 = f3( ṁ ρ N D 3, N D, a Dimensionslös flödesparameter Φ = ṁ ρ N D 3 a ljudhastighet γ R T för ideal gas Energikoefficienten ( Ψ inkluderar ( ) γ ) hs = p γ cp T p ρ N D, γ) µ ρ N D, γ) µ 4 / 36 5 / 36 Förstå turbomappar. Förenkling Variablerna: Ψ = hs N D, η, P ˆP = ρ N 3 D 5 [ Ψ, η, ˆP ] ṁ = f ( ρ N D 3, N D ρ N D,, γ) a µ Alternativ för ideal gas, med ρ = gruppen insatt: [ ] p, η, T p T = f (ṁ R T D p p R T & a = γ R T och andra N D,, Re, γ) R T Förenkling för ett aggregat: D, R, γ, µ, Re konstanta [ ] p, η, T T N = f (ṁ, ) p T p T Inte längre dimensionlös, kallas korrigerat massflöde och korrigerad hastighet 6 / 36 Förstå turbomappar 3. Sammanställning Korrigerade kvantiteter ṁcorr = ṁ T p och Ncorr = N T dessa används ofta på turbinsidan. Kallas då TFP (turbine flow parameter) resp TSP (turbine speed parameter). Korrigerade kvantiteter, med referenstillstånd (pr, Tr ) T/Tr ṁcorr = ṁ (p/pr ) dessa används ofta på kompressorsidan N och Ncorr = T/Tr Varning: läs databladen noga för att se vilka som skall användas! 7 / 36

5 .8.. p = atm r T r = C Surge region Surge Line.68 Compressor Map Corrected mass flow [kg/s].78 Corrected speeds, N co [krpm] Choke Region p r = atm T r = 6 C Corrected speeds, N co [krpm] Turbine Map.. Expansion ratio, /Π t 6 76 Flow Efficiency Kompressor och Turbin Modeller Grundläggande princip Generaliserade restriktioner i MVEM ṁcorr = f(π, Ncorr ) η = f(π, Ncorr ) Ẇ = f3(π, Ncorr, pin, Tin) Kompressor Flödesmodell ( N D ) γ γ Ψmax Πmax = + cp T ( Πc Π ṁc,co = ṁmax Πmax Π () ) () Pressure ratio, Π c Corrected flow [kg/s]...55 Genomgång av implementation och använding på tavlan. Efficiency Pressure ratio, Π c Restriction region.5... Corrected mass flow [kg/s] 8 / 36 9 / 36 Kompressor Effektivitetsmodell.8 [ ] Φ Φmax χ(φ, Nco) = Nco Nco,max ηc(χ) = max(ηc,max χ T Qηχ, ηc,min) Compressor B.9 Compressor C Turbin Flödesmodell Turbinflöde (restriktion litet utsmetat) i huvudsak varvtalsoberoende ṁt,co = k Π k t Lägger till varvtalsberoende ṁt,co = k (Πt Π(Nco)) k η c Flow coeff. Φ η c Flow coeff. Φ W t,corr [kg/s] Ψ(Π t ) Ψ(sqrt(Π t )) sqrt( Π t k ) Data..5.5 /Π t Corrected flow [kg/s] sqrt( (Π t Π (ω)) k ) Data.5.5 /Π t / 36 / 36

6 Turbin Effektivitetsmodell Blade Speed Ratio (BSR) används ofta ωt rt BSR = γe γe cp T3( Πt ) { ( ) } BSR BSRopt ηt(bsr) = ηt,max BSRopt η t Model Data (3) Implementeringstips Använd skyddsnät vid implementering av modellerna Underlättar debuggning, simulering och undviker problem i produktion Kvadratroten används ofta: Kan ge imaginära tal Ersätt x med max(x, ). Effektiviteter nära eller under kan ge division med. Lägg till max(η,.3) eller motsvarande BSR / 36 3 / 36 Grundekvationer för turbo Kompressor- och turbindynamik Vid stationäritet effektbalans Ẇc = ηm Ẇt ( (p ) γ ) γ Ẇc = ṁc cp (T T) = ṁc cp T ηc p ( ( ) γ ) p4 γ Ẇt = ṁt cp T3ηt p3 Vid samma laddtryck Sämre effektivitet Högre mottryck på avgassidan Stationära förhållanden (handräkning & matchningsberäkningar) Ẇc = ηm Dynamiska förhållanden (simulering) ( ) dω dt = Ẇt ηm Ẇc eller Jtc ωtc ωtc ( dω dt = Ẇt Ẇc Jtc ωtc ωtc Ẇt Ett tillstånd för rotationshastigheten Den dominerande dynamiken i systemet ( dω dt = Ẇt Ẇc Jtc ωtc ωtc Mfric(ωtc) ) ) ηm 4 / 36 5 / 36

7 Turbo lag Turbo tidskonstant Throttle [%] Pressure [kpa] ω tc [krad/s] Time [s] 6 / 36 7 / 36 Compressor Surge Surge Ventil Surge Reglering Throttle [%] ω tc [krad/s] 5 5 Pressure [kpa] Mass flow Time [s] 8 / 36 9 / 36

8 Momentkarakta ristik och turbo Inneha llsfo rteckning Repetition Torque Compressor Map.8 Turbo charged engine Torque deficiency.63 Fortsa ttning pa turbo Naturally aspirated engine.76 Surge Line. Ha rdvara fo r laddtrycksreglering Nc=8.698 Shaped Torque Nc=8.5 Nc= N = c.737. Nc=4 Nc=.5. Engine Speed Kompressor surge (pumpning) och la gvarvtalsmoment a r sammankopplade 3 / 36 3 / 36 Reglering av laddtrycket Wastegate Reglering av laddtrycket VGT Variable Geometry Turbine VGT ( bara dieselmotorer idag) 3 / / 36

9 Effektiva arean ändras med styrsignalen VGT Annan teknisk lösning 34 / / 36